逆向工程及快速成型原理讲义——RT篇.pptx
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1、快速制模:快速模具制造(Rapid Tooling,简称RT),是以RP为技术支撑而发展起来的新型制造技术。特点:制模周期短,一般为传统模具制造的1/31/10;工艺简单,易于推广;制模成本低(仅为传统制模的1/31/5)精度和寿命能满足某种特定的功能需要,综合经济效益良好。概概 论论第1页/共81页快速制模:方法直接法:优点是制模工艺简单、精度较高、工期短,缺点是单件模具成本较高,适用于样机、样件试制。通过SLA 或SLS 法,直接用树脂、粉末塑料(如ABS)等制成凸、凹模,可以作成薄板的简易冲模,汽车覆盖件成形模等。这些简易模具的寿命是501000 件,适用于产品试制阶段。采用特殊的纸质利
2、用 LOM 工艺方法可直接制造出纸质模具,坚如硬木,可耐200高温,可用作低熔点合金的模具或试制用注塑模以及精密铸造用的蜡模成形模,还可以代替砂型铸造用的木模。用FDM 法直接制成金属模。将不锈钢粉末用FDM 法制成金属型后,经过烧结、渗铜等工艺渗铜等工艺制成了具有复杂冷却液道的注塑模概概 论论第2页/共81页快速制模:方法间接法:由快速成形或其他途径得到零件原型,根据不同的批量和功能要求采用合适的工艺方法快速翻制得模具概概 论论第3页/共81页快速制模概概 论论第4页/共81页软模技术一般指硅胶模,由SLA,FDM,LOM或SLS制造零件原型,再翻制硅胶模后,向模中灌注双组分树脂,固化后得到
3、所需零件。通过调节树脂中双组分的构成来调整树脂零件的机械性。过渡模(桥模)技术一般为环氧树脂模具,桥模是介于试制用软模与正式生产模间的一种模具,可直接进行注塑生产,使用寿命目标为1001000个零件,零件用与最终零件生产期望的产品材料制成。可满足中小批量生产的需要硬模技术硬模一般指用间接方法制造的金属模具和用快速成形(金属粉末选择性烧结)直接制造的金属模具间接法:先利用快速成形技术加工出非金属材料的原型,然后借助其他技术将这些非金属原型翻制金属零件或金属模具概概 论论第5页/共81页工艺路线原型件的准备(略)硅橡胶模的结构硅橡胶模的优点硅橡胶模的制造浇注品的制造应用软软 模模第6页/共81页工
4、艺路线硅橡胶模的结构软软 模模零件三维造型STL文件格式RP原型制造硅胶模翻制树脂件生产第7页/共81页硅橡胶模的优点结构较简单,制作周期短 只要工件的原型件,无需昂贵的设备和模架等装置,不必模具设计,在几小时内就能完成制模与产品成形。与传统金属模注射成形塑料工件相比,用硅橡胶模能缩短开发周期高达90%;成本低 与CNC机加工的金属模相比,硅橡胶模的制作费用低得多,一般只有金属模的几分之一;弹性好,工件易于脱模 不必添加脱模斜度,工件往往就能脱模,可大大简化模具的设计;复印性能好,精度高 硅橡胶的收缩率小,有优良的复印性能,能达到金属模同样的精度;软软 模模第8页/共81页硅橡胶模的优点能用于
5、在室温下浇注高性能的聚氨酯塑料件或蜡件 反应成形聚氨酯又称为反应成形塑料。它的原材料通常是液态双组分材料,将这两个组分按一定的比例加以混合,并在室温下浇注到成形模具内,能迅速(几十秒至几分钟内)完成固化反应,1040min内能脱模,然后,一般在80下经几小时保温,可完全固化成高性能的塑料件(如ABS工件),这种成形塑料件的方法不必采用金属模和热注射成形机,一般称为塑料反应成形工艺。广泛应用在新产品的试制中通常用于成形塑料件,也可用于成形失蜡铸造所需蜡件。普通室温硫化硅橡胶模的使用寿命取决于工件的复杂程度,一般为1020个工件,足够新产品研制的需求。软软 模模第9页/共81页硅橡胶模的缺点导热性
6、能差寿命短不能成形真实的零件不能采用热注射工艺成形工件软软 模模第10页/共81页硅橡胶模的制造原材料双组分室温硫化有机硅橡胶聚合型:固化时产生副生成物,收缩率较大缩合型模具硅橡胶的抗剪切强度较低,在模具制造过程中易撕裂,难于成型花纹深、形状复杂的模具;成型过程中由于缩合交联反应产生乙醇物质难以完全排出,使模具在受热时硅橡胶降解老化,同时由于乙醇的排出也使得硫化胶的体积收缩,影响模具的尺寸缩小。因此,常用在塑料或人造革生产中的高频压花模具,或尺寸要求不高的工艺品制造。加成型:由于采用加成硫化体系,在成型过程中不产生低分子化合物,因而具有低得线性收缩率,胶料可以深部固化,且物理、力学性能和耐热老
7、化性能优异,适用于制造精密模具和铸造模具,且模具制造工艺简单,不损伤原型、仿真性好。成为模具硅橡胶的主导软软 模模第11页/共81页硅橡胶模的制造设备真空浇注机真空的作用是提供真空环境,排除液态材料中混入的空气或湿气,避免在浇注件中出现气泡。反应注射机压力和流量比较大,适合反应成形中大型塑料件,但是,往往难于在真空环境下成形,所以应注意设法排除塑料件中的气泡 软软 模模真空浇注机真空浇注机浇注 反应注射机反应注射机第12页/共81页硅橡胶模的制造步骤软软 模模由于RP技术生产出来的原型材料与硅橡胶不发生反应,制造过程中没有经过变形,也不会产生褶皱,能够生产出与精密塑料件一样的表面质量。第13页
8、/共81页硅橡胶模的制造步骤原型表面处理 RP原型一般存在台阶纹或缝隙,需进行打磨和防渗与强化处理等以提高原型的表面光滑程度和抗湿性与抗热性等。只有原型表面足够光滑,才能保证制作的硅胶模型腔的光洁度,进而确保翻制的产品具有较高的表面质量和便于从硅胶模中取出。软软 模模制作型框和固定原型依据原型的几何尺寸和硅胶模使用要求设计浇注型框的形状和尺寸,型框的尺寸应适中。在固定原型之前,需确定分型面和浇口的位置,这直接影响着浇注产品能否顺利脱模和产品浇注质量的好坏。当分型面和浇道选定并处理完毕后,便将原型固定于型框中。第14页/共81页硅橡胶模的制造步骤硅橡胶计量、混合并真空脱泡硅橡胶用量应根据所制作的
9、型框尺寸和硅橡胶的比重准确计量。将计量好的硅橡胶添入适当比例的硬化剂,搅拌均匀后进行真空脱泡。脱泡时间应根据达到的真空度来掌握。硅橡胶浇注及固化硅橡胶混合体真空脱泡后浇注到已固定好原型的型框中。浇注后,为确保充填完好,再次真空脱泡。脱泡的目的是抽出浇注过程中掺入硅胶中的气体和封闭于原型空腔中的气体,此次脱泡的时间应比浇注前的脱泡时间适当加长,具体时间应根据所选用的硅橡胶材料的可操作时间和原型大小而定。脱泡后,硅胶模可自行硬化或加温硬化。加温硬化可缩短硬化时间。软软 模模第15页/共81页硅橡胶模的制造步骤拆除型框、刀剖开模并取出原型当硅胶模硬化后,即可将型框拆除并去掉浇道棒等。参照原型分型面的
10、标记进行刀剖开模,将原型取出对硅胶模的型腔进行必要清理,便可利用所制作的硅橡胶模具在真空状态下进行树脂或塑料产品的制造软软 模模拆除型框刀剖开模取出原型清理后合模小件树脂产品硅胶模的制作流程关公硅胶模制作第16页/共81页产品制造原材料聚氨酯材料硬质材料(类ABS)、半硬质材料(类PP,PE,PC,PMMA)和弹性材料(类橡胶)操作时间35m,离模时间1h制造过程通过改变树脂中双组分的构成来调整树脂零件的机械性能模具寿命为2050件树脂零件软软 模模第17页/共81页产品制造制造过程软软 模模第18页/共81页产品制造制造过程预热预热硅橡胶模和原材料(液态双组分聚氨酯)合模用大号订书机沿分模面
11、顺序订压订书钉,缠绕一圈胶带,使上下半模良好密封,防止浇注时液态材料从分模面溢出抽真空将硅橡胶模放入真空浇注机,排除模具型腔中的气体浇注通过控制系统,将A杯内的固化剂注入B杯,混合器开始进行搅拌,然后,使B杯中已混合的液态材料通过漏斗徐徐注入模具的型腔软软 模模第19页/共81页产品制造制造过程固化待硅橡胶模中的液态材料初步固化后,将模具放入烘箱,在7075下加热,使液态材料完全固化取件取出硅橡胶模,去除模具上的胶带与订书钉,用压缩空气枪向模具的浇口吹气,分开上下半模,取出塑料件。后处理软软 模模第20页/共81页应用可用于快速成形塑料件(最普遍)或蜡件,这些成形件不仅是一般的塑料件,而且可以
12、是大型、复杂、高性能、高透明度、高精细度的塑料件 软软 模模汽车保险杠ABS塑料件 硬塑料件、透明塑料件和弹性塑料件 第21页/共81页软模应用软软 模模形状复杂的塑料件及其硅橡胶模 硅橡胶模和浇注的弹性件 有许多密集小孔的网格式塑料件 硅橡胶模与浇注的蜡模 用硅橡胶模浇注的透明光学件 第22页/共81页铝填充环氧树脂模Composite Aluminum-Filled Epoxy,CAFE制模材料:铝基复合材料填充铝粉的环氧树脂SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂衬模成形部分采用SLA成形的型芯/型腔壳采用铝填充环氧树脂填充壳背面桥桥 模模第23页/共81页铝填充环氧树脂模制造工艺模型准备首先,
13、真实功能零件制造中可能存在材料的收缩,因此,原型的形状和尺寸应该适当修正以补偿材料收缩引起的变形。另一个问题是由制模方法所决定的,用于制造环氧树脂模具的快速原型应带有适当的拔模斜度。首先由快速成形技术制作原型(实际最终零件)用作母模,作为母模的原型件必须经过表面打磨和抛光桥桥 模模第24页/共81页铝填充环氧树脂模制造工艺底座制作并固定原型底座的制作要保证与模型及分型面相吻合,底座可以由一些容易刻凿的材料像木材、金属、塑料、玻璃、石膏、甚至耐火泥制作。固定好模型后,进行模框搭建。当环氧树脂模具需要用模框加强时,模框应当用金属制作,并且模框内部应尽可能粗糙,以增大环氧树脂与模框的粘接强度。桥桥
14、模模第25页/共81页铝填充环氧树脂模制造工艺涂脱模剂为了顺利脱模,模型及分模面必须涂脱模剂。脱模剂应该涂得尽可能地薄,并且尽可能均匀地涂23遍,以防止漏涂和涂不均匀。然而,起增强作用的金属模框和一些镶嵌件不能涂脱模剂。有时,为了使其与环氧树脂连接更好,还应打毛其表面,或将其作为镶嵌结构。将环氧树脂与固化剂和填料及附加物金属粉末等均匀混合,混合过程中必须仔细搅拌,尽可能地防止混进气体。采用真空混料机可以有效地防止气体的混入。桥桥 模模第26页/共81页铝填充环氧树脂模制造工艺浇注树脂脱模剂喷洒完毕后,将混合好的填充物浇注到型框内,应掌握浇注速度尽量均匀,并尽可能使环氧树脂混合料从模框的最低点进
15、入。去除底座并进行另一半模的制作待树脂混合物基本固化后,将模具小心的翻转过来并移走底座,搭建另一半模的模框,喷洒脱膜剂,同样过程浇注另一半模具。桥桥 模模第27页/共81页铝填充环氧树脂模制造工艺树脂硬化并脱模待树脂完全固化后,移走型框,将上下半模放入后处理的炉子内加热并保温。环氧树脂的硬化过程可以在一定压力下进行。实践证实,压力条件下进行硬化可以防止气孔的产生,并可提高材料的致密度以及模具的精度和表面光洁度。由于光固化树脂的力学性能较低,而且大部分做成中空结构(为了提高制造速度并节约树脂材料),因此压力不能太高。硬化过程最好在60以下,因为光固化树 脂 材 料 的 玻 璃 化 转 变 温 度
16、 一 般 在6080之间。当环氧树脂完全硬化后,采用顶模杆或专用起模装置将原型从树脂模具中取出,如图所示。桥桥 模模第28页/共81页铝填充环氧树脂模制造工艺模具修整并组装如果环氧树脂模具上存在个别小的缺陷,可以进行手工修整。修整包括局部环氧树脂补贴和钳工打磨等。当上下半模修整完毕后,便可以与标准的或预先设计并加工好的模架进行装配,完成环氧树脂模具的制作,交付使用。桥桥 模模第29页/共81页铝填充环氧树脂模制造工艺正母模一个工步母模、树脂模都较硬,对较复杂零件必须适当增加拔模斜度,保证顺利脱模负母模中间硅橡胶软模负母模设计、制造较困难易于脱模二工步,尺寸误差增大正母模两次中间硅橡胶软模工序较
17、多,尺寸误差增大桥桥 模模正母模正母模:形状与最终零件:形状与最终零件相同,考虑了收缩补偿相同,考虑了收缩补偿负母模负母模:形状与最终零件:形状与最终零件相反,考虑了收缩补偿相反,考虑了收缩补偿第30页/共81页铝填充环氧树脂模制造过程(正母模)有真空条件制造母模和分型板母模表面涂覆脱模剂母模、分型板置于型框中设置冷却管配备模具材料(精细研磨铝粉和双组分热固性环氧树脂),真空脱泡真空浇注,固化拆分,重复过程浇注另一半模检查型芯型腔定位、加工浇注孔、安装推料板/推料杆/冷却管、装配至标准模架热塑性塑料注射成型桥桥 模模第31页/共81页铝填充环氧树脂模特点与传统注塑模相比,省略了模具设计、数控加
18、工和热处理三个耗时费钱的过程,成本大大降低,生产周期大大缩短;模具寿命可达1001000件,对形状简单零件可达5000件,可满足中、小批量生产需要。桥桥 模模第32页/共81页SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬模Direct AIM方法(20世纪90年代中期3D Systems公司;AIMACES Injection Molding;ACESAccurate Clear Epoxy Solid,一种SLA快速成形工艺):在 300下直接把热塑性塑料注入一种玻璃化温度为65-85 的SL光敏树脂制成的ACES模腔中,得到塑料零件。桥桥 模模第33页/共81页SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬
19、模Direct AIM方法:要有较长的注塑循环周期,合适的脱模剂和拔模斜度成型周期长45min(树脂热导率低)大型ACES镶块的快速成形时间长3040hDirect AIM镶块的物理强度不高Direct AIM模具表面较软,抗磨损性较差桥桥 模模第34页/共81页SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬模ACES型芯/型腔壳背衬填充AFE/Al更短的SLA制造时间更有效的热导率更好的抗压强度更低的成本注塑循环周期缩短模具寿命延长桥桥 模模第35页/共81页直接制造金属粉末SLS成形直接制造金属模具,但目前精度难以满足要求间接制造先利用快速成形技术加工出非金属材料的原型,然后借助其他技术将其翻制成金
20、属零件或金属模具硬硬 模模第36页/共81页硬硬 模模第37页/共81页直接加工金属模具SLS烧结单一金属粉末直接烧结,一般为青铜基粉末熔点差异较大的两种金属粉末烧结液相烧结金属粉末/树脂烧结降解聚合物高温二次烧结渗金属LOM成形成形材料为金属箔,可直接加工出铸造用EPS气化模FDM成形成形材料为金属材料硬硬 模模第38页/共81页KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法快速制模技术由美国3D Systems公司开发成功,后转让给美国Keltool公司。KeltoolTM法制模技术实际上是一种粉末冶金工艺。KeltoolTM法基本原理及工艺流程首先以三维CAD软件设计概念原型(包括
21、型腔和型芯)并保存为STL文件,然后将STL格式文件传送至快速原型系统来制造原始原型;然后利用原始原型制得硅橡胶软模;接下来在真空无压状态下向硅橡胶软模内浇注由两种不同成分,不同粒径组成的双形态混合金属粉末与有机树脂粘结剂按一定比例组成的混合物,固化原型后制得待烧结坯;然后将待烧结坯放置于有氢气气氛的烧结炉内进行烧结,在烧结过程的低温阶段,粘结剂被烧除并由流动的氢气带走;硬硬 模模第39页/共81页KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法基本原理及工艺流程(续)再继续升温烧结,将纯金属粉末烧结在一起,从而制得孔隙分布均匀的骨架状坯体;最后,向骨架状坯体中渗入另一种金属(一般为铜),
22、使之成为完全致密的金属模具。由此工艺所制得的金属钢质硬模一般为70%的双形态混合金属和30%的铜,其硬度可以因双形态混合金属的成分不同而不同。比如由A6模钢粉末及碳化钨粉末组成的双形态混合铁粉作为基体并经过渗铜致密和热处理后得到的钢质硬模,硬度可达46-50Rc。硬硬 模模第40页/共81页KeltoolTM法快速制模技术硬硬 模模第41页/共81页KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的材料一般使用以WC粉末和A6工具钢粉末组成的双形态混合粉末为基体材料,精细研磨的WC颗粒,直径约为1-4m(平均有效粒径为2.5m),一般为多边形或粒状;A6工具钢粉末直径为20-38m(平均有
23、效粒径为27m)。与简单地采用单一形态的粉末相比,这种双形态混合颗粒的优点如下:粗细粒径比大于7,因此双形态包的密度高得多。精细的WC颗粒能填充较大A6工具钢颗粒之间的空隙。粘结剂的密度小的多,在还原炉中需要去除的粘结剂较少。烧结过程中平均收缩率较小,提高精度。充分发挥了各组分的特点,粒径较小的WC颗粒能提高表面光洁度,且能改善镶块的耐磨性,粒径较大的A6工具钢颗粒则可以提供良好的韧性。硬硬 模模第42页/共81页KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的工艺特点 以KeltoolTM制成的耐用钢模材料为70%A6工具钢粉末及碳化钨和30%铜,A6模钢有良好的抗磨和低扭曲性,而碳化
24、钨的硬度和耐久性极佳,铜原料则能够提高强度和导热率。其硬度为30-34Rc,热处理后为46-50Rc,具有非常好的模具寿命,可达1百万件以上。工艺流程简单,制作快速。只要温度控制精确,可以将烧结和渗铜连续进行,节约成本,缩短制作时间,而且减少因温度变化而引起的收缩和变形。硬硬 模模第43页/共81页KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的工艺特点 所需材料要求粒度较细,且对粘结剂的粘结性、流动性、固化性等性能有很严格的要求。所用母模(模具负型)没有足够的强度和硬度,故成形的模具精度不够高。模具生产周期较长,平均为4周,其中制作型芯件需要810天,而且型芯件的尺寸较小,一般在152
25、mm203mm101mm以下。硬硬 模模第44页/共81页KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的应用适合生产低公差、精细的模具,其尺寸精度为250mm土0.04mm。硬硬 模模a)Keltool型腔 b)Keltool型腔固定于模架上第45页/共81页Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM法制模技术也称为间接金属粉末激光烧结制模,是由美国DTM公司开发的一种用于快速模具的粉末成型技术。该成型技术是依据Texas大学获得的专利技术为基础致力于粉末类快速原型机器的研发与生产之后开发成功的。RapidToolTM工艺原理及流程利用CO2激光照射外层包有粘结剂的金
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